加熱爐是鋼鐵工業(yè)熱軋生產(chǎn)線關(guān)鍵設(shè)備之一，對(duì)最終產(chǎn)品質(zhì)量和總的能源消耗有很大影響，屬于高耗能設(shè)備，其能耗通常占整條熱軋生產(chǎn)線能耗的60%左右。因此，降低加熱爐能耗是降低軋鋼工序能耗的關(guān)鍵點(diǎn)。

傳統(tǒng)加熱爐助燃?xì)怏w為空氣，燃料在燃燒過程中，起助燃作用的氧氣只占空氣總量的1/5左右，約4/5的氮?dú)獠坏粎⑴c燃燒，反而在加熱爐排煙時(shí)帶走大量熱量，顯然不利于加熱爐能耗降低。而加熱爐富氧燃燒技術(shù)，是指以高于空氣氧氣含量(20.947%)的含氧氣體進(jìn)行燃燒，其優(yōu)點(diǎn)在于可提高助燃空氣中氧氣含量，減少排煙時(shí)氮?dú)鈳ё邿崃?，能有效降低加熱爐能耗。但與此同時(shí)，高昂的制氧成本阻礙了加熱爐富氧燃燒技術(shù)在國內(nèi)的推廣。

隨著技術(shù)發(fā)展，鋼鐵在生產(chǎn)過程中需要大量氮?dú)獬洚?dāng)保護(hù)氣，許多鋼鐵企業(yè)都配備了獨(dú)立的空分裝置，空分后的副產(chǎn)品為氧氣，這恰好分擔(dān)了富氧燃燒加熱爐大部分的制氧成本，為加熱爐推行富氧燃燒技術(shù)提供了可能。因此，本文將從燃料利用率、燃料節(jié)約率等方面分析加熱爐富氧燃燒技術(shù)的經(jīng)濟(jì)性，對(duì)生產(chǎn)企業(yè)的節(jié)能和成本控制具有一定的指導(dǎo)意義。

1 燃料利用率

燃料利用率指燃料有效利用量占全部燃料消耗量的百分?jǐn)?shù)。對(duì)加熱爐而言，燃料有效利用量包括鋼坯吸熱、爐體散熱、加熱爐水冷構(gòu)件吸熱等。為便于討論，對(duì)模型進(jìn)行簡化處理，假定采用富氧燃燒后，鋼坯吸熱、爐體散熱、加熱爐水冷構(gòu)件吸熱等保持不變，因此，加熱爐燃料利用率可按式(1)計(jì)算。

η_r=(Q_l+Q_w-Q_y)/Q_l×100%       (1)

式中：η_r為加熱爐燃料利用率；Q_l為燃料低發(fā)熱量；Q_w為燃料及助燃空氣(氧氣)帶入的物理熱量；Q_y為煙氣帶走的物理熱。

現(xiàn)代化連續(xù)加熱爐在煙道內(nèi)均設(shè)置有空氣預(yù)熱器、煤氣預(yù)熱器、蒸汽過熱器、余熱鍋爐等多級(jí)余熱回收設(shè)備，最終排煙溫度相對(duì)較低，而臺(tái)車爐、室式爐等周期爐設(shè)置余熱回收設(shè)備相對(duì)較少，最終排煙溫度相對(duì)較高。為統(tǒng)一計(jì)算和分析，將煙氣帶走物理熱Q煙的計(jì)算界面設(shè)置在余熱回收設(shè)備后。

采用含氧量為21%的空氣為助燃劑，分別對(duì)熱值為1600、2400、4130、8430 kcal/m³(標(biāo)準(zhǔn))的燃料進(jìn)行分析，燃料成分取至《鋼鐵廠工業(yè)爐設(shè)計(jì)參考資料》，則不同排煙溫度下的燃料利用率如圖1所示。

圖1 不同排煙溫度下的燃料利用率(21%氧氣)

由圖1可以看出，隨著排煙溫度的升高，燃料利用率均逐漸降低。

2 燃料節(jié)約率

采用富氧燃燒技術(shù)后，由于加熱爐爐型、加熱鋼坯及鋼種沒有發(fā)生變化，即爐體散熱、水冷構(gòu)件吸熱、鋼坯吸熱保持不變。因此燃料利用率和燃料量的關(guān)系可表示為式(2)。

Q=B₁η_r1=B₂η_r2 (2)

式中：Q為爐體散熱、水冷構(gòu)件吸熱、鋼坯吸熱總量；B₁為富氧前燃料消耗量，m³(標(biāo)準(zhǔn))；ηr₁為富氧前燃料利用率；B₂為富氧后燃料消耗量，m³(標(biāo)準(zhǔn))；η_r2為富氧后燃料利用率。

燃料節(jié)約率η_s表示為式(3):

η_s=(B₁-B₂)/B₁ (3)

將式(2)帶入式(3)可得燃料節(jié)約率與燃料利用率的關(guān)系式，參見式(4):

η_s=1-η_r1/η_r2 (4)

由式(1)和式(4)可以計(jì)算出采用不同富氧率的助燃空氣與普通空氣(21%氧氣)燃燒的燃料節(jié)約率。分別選取熱值為1600、2400、4130、8430 kcal/m³(標(biāo)準(zhǔn))的燃料進(jìn)行燃料節(jié)約率計(jì)算，計(jì)算結(jié)果如圖2～圖5所示。

圖2 不同排煙溫度、不同富氧率的燃料節(jié)約率(1600 kcal/m³(標(biāo)準(zhǔn)))

圖3 不同排煙溫度、不同富氧率的燃料節(jié)約率(2400 kcal/m³(標(biāo)準(zhǔn)))

圖4 不同排煙溫度、不同富氧率的燃料節(jié)約率(4130 kcal/m³(標(biāo)準(zhǔn)))

圖5 不同排煙溫度、不同富氧率的燃料節(jié)約率(8430 kcal/m³(標(biāo)準(zhǔn)))

3 經(jīng)濟(jì)性分析

除提升產(chǎn)品質(zhì)量外，新技術(shù)還必須給生產(chǎn)廠帶來可觀經(jīng)濟(jì)效益才能得到廣泛應(yīng)用。下面將對(duì)加熱爐富氧燃燒技術(shù)的經(jīng)濟(jì)性進(jìn)行分析。為便于分析，假設(shè)富氧燃燒的氧氣成本與節(jié)約的燃料成本相等，可以得到式(5)。

Y₁V₁=Y₂V₂ (5)

引入燃料與氧氣的價(jià)格比參數(shù)K，同時(shí)帶入式(5)，可得式(6)。

K=Y₂/Y₁=V₁/V₂ (6)

式中：K為燃料與氧氣的價(jià)格比；Y₁為氧氣單價(jià)，元/m³(標(biāo)準(zhǔn))；V₁為單位產(chǎn)量下富氧燃燒消耗的氧氣體積，m³(標(biāo)準(zhǔn))；Y₂為燃料單價(jià)，元/m³(標(biāo)準(zhǔn))；V₂為單位產(chǎn)量下采用富氧燃燒與采用21%氧濃度的空氣燃燒相比所節(jié)約的燃料，m³(標(biāo)準(zhǔn))。

以2400 kcal/m³(標(biāo)準(zhǔn))燃料為例，對(duì)排煙溫度為300℃，富氧率50%的加熱爐進(jìn)行了經(jīng)濟(jì)性分析，結(jié)果表明：

(1)當(dāng)K=6.24時(shí)，采用富氧燃燒所需要的氧氣成本與節(jié)約的燃料成本相等，此時(shí)加熱爐采用富氧燃燒技術(shù)處于既不盈利也不虧損狀態(tài)。

(2)當(dāng)K>6.24時(shí)，采用富氧燃燒與采用21%氧氣的空氣燃燒相比，經(jīng)濟(jì)平衡上是處于盈利狀態(tài)。

(3)當(dāng)K<6.24時(shí)，采用富氧燃燒與采用21%氧氣的空氣燃燒相比，經(jīng)濟(jì)平衡上是處于虧損狀態(tài)。

為探究排煙溫度對(duì)富氧燃燒加熱爐盈虧狀態(tài)影響，以2400 kcal/m³(標(biāo)準(zhǔn))燃料、富氧率50%加熱爐為例進(jìn)行了經(jīng)濟(jì)性分析，盈虧分布圖如圖6所示。

圖6 在不同排煙溫度下富氧燃燒盈虧分布圖(2400 kcal/m³(標(biāo)準(zhǔn)))

從圖6可以看出，排煙溫度越高，富氧燃燒加熱爐更容易達(dá)到盈利狀態(tài)。

為便于使用，加熱爐常用熱值為1600、2400、4130、8430 kcal/m³(標(biāo)準(zhǔn))的燃料在不同排煙溫度下的盈虧平衡曲線見圖7。

當(dāng)燃料與氧氣價(jià)格比位于平衡曲線上方時(shí)，加熱爐采用富氧燃燒技術(shù)在經(jīng)濟(jì)上處于盈利狀態(tài)；當(dāng)燃料與氧氣價(jià)格比位于平衡曲線下方時(shí)，加熱爐采用富氧燃燒技術(shù)在經(jīng)濟(jì)上處于虧損狀態(tài)。

圖7 不同排煙溫度下富氧燃燒盈虧平衡曲線

4 結(jié) 論

本文從燃料利用率和燃料節(jié)約率入手，對(duì)加熱爐采用富氧燃燒技術(shù)的經(jīng)濟(jì)性進(jìn)行分析，得出以下結(jié)論：

(1)隨著加熱爐排煙溫度的升高，燃料利用率下降。

(2)由圖2～圖5可以得出，與采用含21%氧氣的空氣相比，在相同排煙溫度下，加熱爐富氧率越高，燃料節(jié)約率越高。

(3)由圖2～圖5可以得出，采用含21%氧氣的空氣為助燃劑時(shí)，排煙溫度越高的加熱爐，在相同富氧率條件下，燃料節(jié)約率越高。

(4)對(duì)于排煙溫度較高的臺(tái)車爐、室式爐等，采用富氧燃燒甚至純氧燃燒可收到不錯(cuò)的經(jīng)濟(jì)效益。

(5)對(duì)燃料價(jià)格與氧氣價(jià)格比位于盈虧平衡曲線上方的生產(chǎn)廠，加熱爐宜選擇富氧燃燒。

變壓吸附制氧技術(shù)（VPSA）非常適用于軋鋼加熱爐，尤其是對(duì)于氧氣純度要求不高、負(fù)荷調(diào)整需求大、降低氧氣成本的使用環(huán)境。軋鋼加熱爐投資變壓吸附制氧裝置的回收期約在兩年左右，符合企業(yè)對(duì)于投資回報(bào)、降低使用成本要求，是減少燃料使用及實(shí)現(xiàn)節(jié)能降碳的理想選擇。